ผงคาร์บอนนาโนทิวบ์เจือไนโตรเจน (N-CNT)เป็นวัสดุนาโนประสิทธิภาพสูงที่สร้างขึ้นโดยการรวมอะตอมไนโตรเจนทางเคมีเข้ากับโครงตาข่ายคาร์บอนหกเหลี่ยมของท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) การปรับเปลี่ยนนี้จะเปลี่ยนโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และเคมีพื้นผิว ทำให้ N-CNT เหนือกว่า CNT ทั่วไปในแง่ของการนำไฟฟ้า ปฏิกิริยาเคมี และการกระจายตัว
เมื่ออะตอมไนโตรเจน (5 วาเลนซ์อิเล็กตรอน) แทนที่อะตอมของคาร์บอน (4 วาเลนซ์อิเล็กตรอน) โดยทั่วไปพวกมันจะสร้างโครงสร้างพันธะสามประเภท:
Pyridinic N: ตั้งอยู่ที่ขอบหรือบริเวณที่มีข้อบกพร่อง เชื่อมต่อกันกับอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอม โดยให้อิเล็กตรอนคู่เดียว ซึ่งช่วยเพิ่มกิจกรรมทางไฟฟ้าได้อย่างมาก
ไพโรลิก N: รวมเข้ากับวงแหวนห้าส่วน ช่วยเพิ่มขั้วของพื้นผิวและปฏิกิริยาเคมี
Graphitic (Quaternary) N: แทนที่อะตอมของคาร์บอนภายในระนาบหกเหลี่ยม โดยมีส่วนเพิ่มอิเล็กตรอนให้กับระบบ ππ ซึ่งช่วยปรับปรุงการนำไฟฟ้าชนิด n ได้อย่างมาก
สัณฐานวิทยา: ภายใต้ TEM (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน) N-CNT มักจะแสดงโครงสร้าง "คล้ายไม้ไผ่" ที่เป็นเอกลักษณ์ โดยมีลักษณะเฉพาะด้วยฝาปิดภายในเป็นระยะ ซึ่งทำให้พวกมันแตกต่างจากกระบอกสูบกลวงเรียบของ CNT ทั่วไป
การนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น: ไนโตรเจนทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคชนิด n ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของตัวพาประจุ สิ่งนี้นำไปสู่ความต้านทานรวมที่ลดลงเมื่อเทียบกับ CNT ที่มีผนังหลายชั้นที่ไม่มีการเจือ
การกระจายตัวที่เหนือกว่า: การนำอะตอมไนโตรเจนมาใช้จะสร้างโมเมนต์ไดโพลบนพื้นผิว ทำให้ท่อนาโนมีขั้วมากขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการเปียกน้ำและความเสถียรในตัวทำละลายที่มีขั้ว เช่น น้ำ เอทานอล และ NMP
กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาโดยปราศจากโลหะ: N-CNT ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมสำหรับปฏิกิริยาการลดออกซิเจน (ORR) ในเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งเป็นทางเลือกที่มีต้นทุนต่ำแทนตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัม (Pt) ที่มีราคาแพง
การยึดเกาะระหว่างผิวหน้าที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น: ในพอลิเมอร์คอมโพสิต กลุ่มฟังก์ชันไนโตรเจนจะให้การประสานทางกลและพันธะเคมีกับเมทริกซ์ได้ดีขึ้น
ความแตกต่างพื้นฐานที่สุดอยู่ที่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และการนำขั้วของพื้นผิวมาใช้ ในการเปรียบเทียบพารามิเตอร์ผงจริง ความแตกต่างเล็กน้อยในระดับสารเคมีอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพอย่างมีนัยสำคัญ
ต่อไปนี้เป็นการเปรียบเทียบพารามิเตอร์ที่สำคัญระหว่างผงท่อนาโนคาร์บอนเจือไนโตรเจนและผงท่อนาโนคาร์บอนธรรมดา:
| พารามิเตอร์ / มิติ |
ท่อนาโนคาร์บอนธรรมดา (CNTs) |
ท่อนาโนคาร์บอนเจือไนโตรเจน (N-CNTs) |
เหตุผลของความแตกต่าง |
| องค์ประกอบทางเคมี |
ปริมาณคาร์บอน asym100% |
ปริมาณไนโตรเจน 1% ∼8% 1% ∼ 8% |
การทดแทนหรือการแทรกแซงของอะตอมไนโตรเจนในโครงตาข่ายคาร์บอน |
| ความต้านทานต่อปริมาตร |
10−2∼10−1 Ω⋅ซม |
10−3∼10−2 Ω⋅ซม |
อะตอมของไนโตรเจนทำหน้าที่เป็นผู้บริจาค โดยให้อิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นและเพิ่มความหนาแน่นของตัวพาประจุ (การโด๊ปชนิด n) |
| การกระจายตัว (ในน้ำ/NMP) |
ยากจน; ต้องใช้สารลดแรงตึงผิวในปริมาณสูง |
ปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ; ศักยภาพในการกระจายตัวบางส่วน |
ไนโตรเจนทำให้เกิดโมเมนต์ไดโพล ซึ่งเพิ่มขั้วของพื้นผิวและความชอบน้ำ |
| ความหนาแน่นของข้อบกพร่อง (อัตราส่วน ID/IG) |
ด้านล่าง (โครงสร้างผลึกที่เรียงลำดับมากขึ้น) |
สูงกว่า |
อะตอมของไนโตรเจนทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของโครงตาข่ายและความผิดปกติของโครงสร้าง |
| พื้นที่ผิวจำเพาะ (SSA) |
150-350 ตร.ม./ก |
200∼450 ตร.ม./ก |
การโด๊ปมักจะสร้างไมโครรูขุมขนและพื้นผิวลูกฟูกมากขึ้น |
| ความเป็นกรดของพื้นผิว / ความเป็นพื้นฐาน |
เป็นกลางถึงเป็นกรดเล็กน้อย |
เบสิก (ฐานลูอิส) |
ไซต์ไนโตรเจนแบบไพริดินิกและไพโรลิกมีอิเล็กตรอนคู่เดียว |
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์: ใช้เป็นสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าระดับสูง ตำแหน่งไนโตรเจนยังสามารถให้ความจุเทียมและอำนวยความสะดวกในการขนส่งไอออนได้เร็วขึ้น ปรับปรุงประสิทธิภาพอัตราและอายุการใช้งานของวงจร
เซลล์เชื้อเพลิง: ทำหน้าที่เป็นวัสดุรองรับสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาหรือเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปราศจากโลหะโดยตรงสำหรับ ORR
สารเคมีและไบโอเซนเซอร์: มีความไวสูงต่อก๊าซเฉพาะ (CO2, NOX) และชีวโมเลกุล เนื่องจากมีตำแหน่งออกฤทธิ์เพิ่มขึ้นบนผนังท่อ
โพลีเมอร์นำไฟฟ้า: เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุป้องกันไฟฟ้าสถิต (ESD) และวัสดุป้องกัน EMI ที่ต้องการการโหลดต่ำและความโปร่งใส/ความเสถียรสูง
การสะสมไอสารเคมี (CVD): วิธีการทางอุตสาหกรรมที่ใช้กันมากที่สุด โดยใช้ส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอน (เช่น เอทิลีน) และแหล่งไนโตรเจน (เช่น แอมโมเนีย ไพริดีน หรือเอทิลีนไดเอมีน) บนตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นโลหะ
การบำบัดหลังการสังเคราะห์: การนำ CNT ที่สร้างไว้ล่วงหน้าไปอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศที่อุดมด้วยไนโตรเจน (เช่น พลาสมา NH3)
สรุป: ผง N-CNT เป็นท่อนาโนคาร์บอนแบบดั้งเดิมที่ "ใช้งานได้จริง" ซึ่งเชื่อมช่องว่างระหว่างคาร์บอนโครงสร้างบริสุทธิ์และวัสดุเคมีออกฤทธิ์ เป็นตัวเลือกที่ต้องการเมื่อการใช้งานของคุณต้องการความสมดุลของการนำไฟฟ้าสูงและการกระจายตัวของเฟสของเหลวที่ดีเยี่ยม
